Энергосберегающие вторичные источники тока наружного применения

Актуальность темы

В последнее время наблюдается тенденция перехода от дроссельных к электронным пускорегулирующим аппаратам (ЭПРА) или иначе — электронным балластам для осветительных ламп высокого давления (натриевых и металл-галогенных). Достоинства применения ЭПРА по сравнению с электромагнитными балластами: высокий коэффициент мощности (0,98−0,99) — отсутствие низкочастотной пульсации светового потокабольший срок службы лампы за счёт контролирования мощности — «мягкого» старта и стабилизации мощности при старении лампывозможность регулирования мощности и соединения ЭПРА в интеллектуальные сети (по протоколам DALI, RS485, PLC и т. д.) — высокий КПД — 95%- меньшие массо-габаритные параметры.

Повышение эффективности и КПД п/п светодиодов, а также совершенствования технологии их производства, сделали их превосходной альтернативой осветителям, построенным на базе ламп накаливания и ламп дневного света наряду с малым энергопотреблением, светодиоды обладают большей долговечностью, низкими затратами на эксплуатацию и не содержат опасных химических элементов.

Активное распространение светодиодных осветителей заставляет правительства разных стран устанавливать жесткие требования к их техническим характеристикам, чтобы гарантировать выполнение задач по уменьшению энергопотребления. К примеру, правительство Китая подсчитало, что если перевести лишь треть существующих осветителей на светодиодные, они сэкономят 100 млн кВт-ч и снизят выбросы СО2 в атмосферу на 29 млн тонн.

Для обеспечения максимального энергосбережения вторичные источники тока (ВИТ), применяемые для питания газоразрядных или полупроводниковых осветителей от первичной сети переменного тока, должны содержать в входной выпрямительной цепи так называемые активные корректоры коэффициента мощности (ККМ или PFC). В их задачи входит обеспечение не только синусоидальной формы потребляемого из сети тока, но и его синфазности с сетевым напряжением. Классические ККМ, применяемые практически во всех вторичных источниках питания (ВИЛ), представляют собой повышающий импульсный модулятор и выходной фильтрующий (буферный) электролитический конденсатор с относительно большой энергоемкостью.

Самая серьезная проблема возникает при наружном применении электронных балластов, например, в диапазоне температур от -40.6СГС до +105.12СГС (вблизи разогретого осветителя). Импеданс и допустимый ток пульсаций у силового фильтрующего электролитического конденсатора ухудшается при температуре -40°С в 12−13 раз. Кроме того, «холодный» запуск приводит к резкому снижению ресурса работы конденсатора. При повышенных температурах появляется необходимость применения специальных электролитических конденсаторов с гарантированным пределом в 105 °C (и более), срок службы которых существенно снижен.

Аналогичные проблемы возникают в области применения сварочных аппаратов, а также статических и аккумуляторных зарядных устройств наружного применения. Здесь уместно отметить бурный рост перспективных по экологии и энергоэкономии электромобилей. Зарядные устройства для их аккумуляторов в большинстве случаев не смогут располагаться в обогреваемых помещениях. Это также делает целесообразным разработку и широкое использование энергосберегающих ВИТ наружного применения.

Широко применяются также циклические зарядные устройства с высоковольтным ёмкостным накопителем, используемым в качестве генератора импульсов тока (ГИТ), имеющего высокую мощность импульса (МВт) при относительно низких частотах следования импульсов (от 0,1 до 100 Гц). Такие генераторы используются в системах питания импульсных лазеров, антиобледенительных вибраторов, ионно-плазменных инжекторов и двигателей, систем преднамеренного или имитационного электромагнитного воздействия, проблесковых огней и др. Во многих случаях эти ВИТ, предполагают наружное применение (на земле, на летательных аппаратах и судах). Для этих устройств, в случае их длительной работы, также важны вопросы обеспечения максимальной энергоэкономичности.

Вопросам повышения энергоэкономичности, в частности повышения коэффициента мощности, снижения гармонических искажений во входной цепи и повышения КПД ВИП посвящено большое количество работ. Однако подавляющее их большинство не рассматривают возможность исключения энергоемких электролитических конденсаторных фильтров из схем ВИП, что существенно затрудняет их применение в широком диапазоне температур окружающей среды. Кроме того, в них недостаточное внимание уделяется рекуперации и транзиту в нагрузку энергии, накапливаемой в цепях защиты полупроводниковых приборов от перенапряжений, а также от сквозных, диодно-инверсных и трансформаторно-насыщающих сверхтоков. Помимо этого следует констатировать зачастую неоправданный выбор силовых схем с высокочастотными конденсаторами, обладающими кроме плохих массо-габаритных и надежностных показателей ещё и большими собственными потерями и вызывающими большие потери в колебательных цепях. Это также снижает энергоэкономичность силовых схем ВИП.

Исходя из вышеизложенного проблема разработки схемотехнических средств повышения энергоэкономичности ВИТ наружного применения представляется весь^ма актуальной.

Упрощенно-сконцентрированно можно основную цель исследований свести к минимизации целевой функции — обобщённого энергетического показателя для ВИТ наружного применения:

1-^-7)->гшп, где % - коэффициент мощности на входе ВИТ, г) — КПД, при заданных ограничениях (например, ьокр ?

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы являются разработка схемотехнических средств повышения энергоэкономичности i вторичных источников тока (ВИТ) за счёт активной коррекции коэффициента потребляемой мощности (снижения потерь в питающей сети), повышения КПД и функционального регулирования выходной мощности ВИТ (с учётом заданных показателей надёжности и помехоэмиссии, в климатических условиях наружного применения).

Достижение поставленной цели предполагает решение ряда задач, среди которых:

— анализ и выбор направлений модернизации известных и разработки новых решений- .

— разработка новых схемотехнических решений для энергосберегающих ВИТ наружного применения;

— аналитическое и компьютерное моделирование процессов и зависимостей, расчёт основных параметров;

— экспериментальные исследования, подтверждение теоретических положений, разработка рекомендаций повыбору решений, расчёту и проектированию.

Методы исследования. Для решения поставленных задач исполь зовались общепринятые в электротехнике и теории электрических цепей аналитические методы и современные средства компьютерного моделирования с применением специализированного пакета прикладных программ РБИСЕ.

Достоверность теоретических положений и полученных результатов схемно-компьютерного моделирования подтверждена экспериментальными исследованиями на специально разработанном и изготовленном унифицированном стенде, на макетных и опытных образцах.

Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:

— сформулированы и обоснованы вспомогательные критерии энергосберегающей, надёжностной и помехоэмиссионной эффективности схем ВИТ наружного применения:

— предложен и детализирован новый принцип совмещения в индуктивном звене выпрямленного тока буферной функции с коррекцией коэффициента потребляемой мощности и с обеспечением прямоугольной формы выходного тока, позволяющий исключить многокаскадность преобразования и нетермостабильный электролитический буфер;

— развиты и модернизированы малоизученные обратимые способы расщепления (размножения) тока и деления (умножения) напряжения, позволяющие снизить уровень потерь и помехоэмиссии и осуществить модульное наращивание мощности;

— определены зависимости спектрального состава напряжений на элементах понижающего ШИМ-конвертора от коэффициента регулированияполучены выражения для граничных значений тока дросселя, необходимых для его проектирования;

— для корректора коэффициента мощности (ККМ) получены соотношения, позволяющие синтезировать структурную схему управления;

— для регулятора выпрямленного тока предложена методика расчёта управляемых процессов, позволяющая существенно снизить энергоёмкость конденсаторного фильтра (исключить электролитические конденсаторы);

— для ВИТ на базе мостового инвертора с интегрированным г трансреактором получены регулировочная характеристика, соотношения для расчёта трансреактора с учётом заданных пульсаций выходных токов и напряжений, а также схемы замещения, пригодные для компьютерного моделирования;

— для расщеплённых ККМ предложена методика расчёта максимальных токов и напряжений, необходимых для их выбора и обобщённых I на другие повышающие модуляторы;

— разработаны схемно-компьютерные модели вторичных источников однополярного и прямоугольно-двуполярного тока, состыкованные с моделями схем управления.

Достоверность полученных результатов обеспечивается корректным использованием исходных теоретических и экспериментальных данных, компьютерным моделированием и поэтапной верификацией теоретических выкладок с экспериментальными данными, полученными в ходе лабораторно-стендовых и всесторонних1 испытаний макетных и опытных образцов.

Практическая ценность работы:

— схемотехнически решена задача исключения из состава ВИТ относительно нетермостойкого и недолговечного электролитического конденсаторного буфера с переложением его функции на дроссельное звено выпрямленного тока;

— предложены однокаскадные схемы ВИТ имеющие повышенные надёжность и КПД по сравнению с известными многокаскадными схемами;

— разработаны схемотехнические способы повышения эффективности помехоэмиссионных подавителей и защитно-демфирующих цепочек, а также способы снижения статических и коммутационных потерь;

— предложен ряд схем ВИТ с использованием обратимых способов расщепления (размножения) тока и деления (умножения) напряжения, позволяющих снизить уровень потерь и помехоэмиссии и обеспечить возможность модульного наращивания мощности;

— предложены схемы универсального автотрансформаторного сварочно-пускорегулирующего аппарата (ЭС-ПРА), мостовых ЭПРА (четырёх и трёхтранзисторного), а также регуляторов выпрямленного тока, использующие в качестве сглаживающего буфера трансреактор, который в отличие от электролитического конденсатора не требует термостабилизации и имеет практически неограниченный срок службы, исключающие сквозные и инверсно-диодные сверхтоки, а также позволяющие совместно заземлять сетевую нейтраль, основную шину и нагрузку, имеющие сниженное число ключей, при этом не содержащие конденсаторов с большой реактивной мощностью, имеющие простую схему управления, пригодные для многофазных (расщеплённых).

V / N вариантов и имеющие сниженные помехоизлучения;

— модернизирован принцип расщепления тока применительно к синхронно-групповым ВИТ, снижены число и установленная мощность транзисторов, потери и внутренние реактивные мощности, минимизировано число полупроводниковых и электромагнитных элементов.

— модернизированы схемы защитных и коммутационно-демпфирующих цепей, что позволяет повысить их эффективность в аспектах: ограничения «сверхтоков» и перенапряжений для транзисторов, снижения I тепловых потерь и повышения надёжности полупроводниковых приборов, снижения уровня генерируемых помех;

Все новые схемотехнические решения защищены приоритетами и патентами РФ.

— получены соотношения для расчёта интегрированного транс-реактора мостового ВИТ;

— для схемы активного ограничения напряжения на транзисторе прямоходового трансформаторного преобразователя получены соотношения, доказывающие применимость относительно низковольтных транзисторов (до 600 В);

— схемно-компьютерное и физическое моделирование ВИТ выявило не только качественную справедливость теоретических положений, но и количественные погрешности аналитических и компьютерных расчётов (соответственно 15−20% и 8−10%);

— даны практические рекомендации по выбору, расчётам и исследованию схем ВИТ, полезные для разработчиков ВИТ и им подобных (широкого класса и назначения);

— разработан универсальный экспериментальный стенд, достаточно просто трансформируемый применительно ко многим типам структур и схем вторичных источников питания.

Реализация результатов. Разработанные автором критерии оценки эффективности схемотехнических решений, конкретные схемы высокоэффективных ВИТ, методики аналитических расчётов и программы I для схемно-компьютерного моделирования переданы промышленным предприятиям (ОАО АКБ «Якорь», г. Москва, ФГУП ПО «УОМЗ», г. Екатеринбург) и используются при проектировании нового перспективного класса ВИТ с питанием от сети переменного тока для таких типов потребителей, как сварочные аппараты, электронные пускоре-гулирующие аппараты для осветительных ламп высокого давления, системы оптической накачки лазеров, рекламных светодиодных транспарантов и др.

Результаты диссертационной работы внедрены в госбюджетную НИР (тема 1.5.06, «Разработка научно-технических основ создания высокоэффективных систем управления, пилотажно-навигационных приборных комплексов и электроэнергетических систем ЛА на основе современных информационных технологий», государственная регистрация № 1 200 702 211 УДК 629.7 0645.5, этап 4,5) — а также используются в курсах лекций, в лабораторном практикуме, в дипломном и курсовом проектировании по дисциплинам «Электромагнитная совместимость комплексов ЛА», «Электротехника и электроника», «Электроэнергетические сети ЛА» для студентов электромеханических и энергетических специальностей МАИ. Внедрение. результатов подтверждено соответствующими актами.

Апробация работы. Результаты диссертационной, работы докладывались и обсуждались на различных российских и международных конференциях, симпозиумах и совещаниях, в том числе: на международной конференции «Авиация и космонавтика» в 2007 и 2008 году, МАИ, г. Москва, на Всероссийской конференции молодых учёных и студентов «Информационные технологии в авиационной и космической технике — 2008», МАИ, г. Москва, международных симпозиумах по I электромагнитной совместимости ЭМС — 2007, ЭМС — 2009, г. Санкт-Петербург — на международных научно-технических семинарах «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации», г. Алушта, Украина, 2007 г, 2008 г.

Публикации. Основные материалы диссертационной работы i опубликованы в 10 печатных работах, три — в журнале «Технологии ЭМС», рекомендованном ВАК РФ, а также в их числе 3 патента на полезные модели. Список публикаций, кроме публикаций в сборниках тезисов докладов, перечисленных конференций и симпозиумов, приведён в конце автореферата.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка используемых источников и 4-х приложенийимеет 141 страницу, 42 рисунка, 5 таблиц и 95 наименований списка литературы.

Заключение

.

Основным обобщённым итогом исследований представляется достижение заявленной цели: разработаны схемотехнические средства повышения энергоэкономичности вторичных источников тока за счёт активной коррекции коэффициента потребляемой мощности (снижения потерь в питающей сети), повышения КПД и функционального регулирования выходной мощности (с учётом заданных показателей надёжности и помехоэмиссии в климатических условиях наружного применения).

Наибольшее значение указанный результат имеет в области I разработки электронных пускорегулирующих аппаратов (ЭПРА), активно вытесняющих с рынка традиционные электромагнитные ПРА (или так называемые балласты) разрядных осветительных ламп высокого давления благодаря обеспечению оптимальных режимов эксплуатации ламп в составе системы управления освещением.

Помимо обобщённого итогового результата представляются имеющими и самостоятельное значение следующие результаты решения промежуточных задач на этапах проведённых исследований:

1. Выбор и обоснование вспомогательных, критериев энергосберегающей, надёжностной и помехоэмиссионной эффективности схем ВИТ наружного применения позволяют объективно проанализировать известные схемотехнические решения, а также сформулировать конкретные направления и задачи по их модернизации и разработке новых схем ВИТ с питанием от сети переменного тока.

2. Особое внимание уделяется: а) задаче исключения относительно нетермостойкого и недолговечного электролитического конденсаторного буфера с переложением его функции на дроссельное звено выпрямленного токаб) однокаскадному совмещению буферной функции с коррекцией коэффициента потребляемой мощности и с обеспечением прямоугольной формы выходного токав) повышению эффективности помехоэмиссионных подавителей и защитно-демпфирующих цепочекг) способам снижения статических и коммутационных потерьд) обратимым способам расщепления (размножения) тока и деления (умножения) напряжения, позволяющим снизить уровень потерь и помехоэмиссии и осуществлять модульное наращивание мощности.

3. Предложенные схемы универсального автотрансформаторного сварочно-пускорегулирующего аппарата (ЭС-ПРА), мостовых ЭПРА (четырёх-, двухи трёхтранзисторного), а также регуляторов выпрямленного тока используют в качестве сглаживающего буфера транс-реактор, который в отличие от электролитического конденсатора не требует термокомпенсации и имеет практически неограниченный срок службы. В аспекте ЭМС и электробезопасности схемы исключают сквозг ные инверсно-диодные сверхтоки при любых сбоях в управлении, а также позволяют совместно заземлять сетевую нейтраль, основную шину ВИТ и нагрузку," что является немаловажным достоинством схем.

Кроме того, в отличие от аналогов и прототипов, они имеют меньшее число ключей, более простую схему управления, не содержат плёночных конденсаторов с большой реактивной мощностью, что повышает надёжность и КПД устройства, снижает помехоизлучения и позволяет использование в многофазных вариантах. Наибольшей обобщённой массоэнергетической эффективностью обладает двухключе-вой регулятор тока.

4. Разработанные новые и модернизированные известные принципы импульсного деления тока и напряжения, позволяющие регулировать распределение заданного суммарного напряжения или тока по «п» каналам и наоборот — «размножать» и «умножать» заданные напряжение и ток позволяют строить схемы трёхфазных (в частности высоковольтных) мостовых инверторов синусоидального тока, причём без выходного ёмкостного фильтра. Помимо снижения массы и габаритов схемы позволяют исключить автоколебания, расширять диапазоны регулирования с высоким соБср! в цепи нагрузки, а главное — существенно снизить тепловые потери в нагрузке и питающем кабеле (т.е. повысить КПД и рабочий ресурс изоляции). Предложена также модернизация принципа расщепления тока применительно к синхронно-групповым ВИТ, снижающая число транзисторов и уменьшающая их установленную мощность, коммутационные и статические потери, а также реактивную мощность вольтдобавочных конденсаторов (повышая их надёжность и КПД схемы). Схемы отличаются рационально-компромиссным группированием элементов, минимизирующим число п/п и электромагнитных приборов.

5. Предложенная модернизация защитных и коммутационно-демпфирующих цепей позволяет существенно повысить их эффективность в аспектах: ограничения «сверхтоков» и перенапряжений для транзисторов, снижения тепловых потерь и повышения надёжности полупроводниковых приборов, снижения уровня генерируемых помех. I.

6. Все вышеперечисленные принципы, а также модернизированные и новые схемотехнические решения защищены приоритетами и патентами РФ.

7. Проведено аналитическое исследование процессов и зависимостей для модернизированных и новых разработанных схем ВИТ, в частности: для понижающего ШИМ-конвертора на базе разложения напряжения на диоде в ряд Фурье и определены зависимости его спектрального состава от коэффициента регулированияполучены выражения для граничных значений тока дросселя, необходимых для его проектированиядля корректора коэффициента мощности (ККМ) получены соотношения, позволяющие синтезировать структурную схему управления;

— для регулятора выпрямленного ток^ предложена методика расчёта управляемых процессов, позволяющая существенно снизить энергоёмкость конденсаторного фильтра (исключить электролитические конденсаторы);

— для ВИТ на базе мостового инвертора с интегрированным трансреактором, разделительным конденсатором и мягким переключением получены регулировочная характеристика, соотношения для расчёта трансреактора и определения пульсаций выходных тока и напряжения, а также схемы замещения, пригодные для компьютерного моделирования;

— для схемы активного ограничения напряжения на транзисторе прямоходового трансформаторного преобразователя получены соотношения, доказывающие применимость относительно низковольтных транзисторов (до 600В);

— для компонентов расщепленных (многофазных) ККМ предложена методика расчёта максимальных токов и напряжений, необходимых для выбораметодика может быть обобщена и на другие повышающие модуляторы. I.

8. Схемно-компьютерное и физическое моделирование вторичных источников однополярного и прямоугольно-двуполярного тока выявило качественную справедливость разработанных теоретических положений и достоинства предложенных схемотехнических решений.

9. Погрешность аналитических методов расчета по интегральным и осредненным параметрам (КПД, процентное содержание высших гармоник, средние значения перенапряжений, пульсаций токов и напряжений) не превышают 15−20%, а аналогичные погрешности схемно-компьютерного моделирования по сравнению с физическим моделированием не превышают 8−10%, что представляется удовлетворительным для устройств рассматриваемого класса.

10. Предложенные практические рекомендации по расчетам и проектированию представляются полезными для разработчиков и исследователей вторичных источников тока широкого класса и назначения.

11. Разработанный универсальный экспериментальный стенд, достаточно просто трансформируется применительно ко многим типам структур и схем вторичных источников питания (ВИП) и может представлять самостоятельное значение для исследователей и разработчиков импульсной силовой электронной аппаратуры.